MEKANIKA Volume 13 Nomor 2, Maret Budi Santoso Wibowo 1, Samsul Kamal 2, Budi Kristiawan 3 1.

Transkripsi

1 70 STUDI EKSPERIMENTAL EFEKTIVITAS ALAT PENUKAR KALOR PIPA KONSENTRIK SALURAN ANNULAR DENGAN TWISTED TAPE INSERT PADA FLUIDA NANO TIO2 DENGAN FLUIDA DASAR OLI TERMO XT32 Budi Santoso Wibowo 1, Samsul Kamal 2, Budi Kristiawan 3 1. Mahasiswa Pascasarjana Jurusan Teknik Mesin- Universitas Gadjah Mada 2. Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Gadjah Mada 3. Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Keywords : Fluida Nano Twisted Tape Insert Twist Ratio Abstract : This research examines the effectiveness of the heat exchanger pipe concentric circles a pass, with pipe in and out pipes made of Stainless Steel. Heat exchanger length 1000 mm. Flow in pipe and annulus is the opposite direction. The working fluid used was titanium dioxide TIO 2 nano-fluid in the pipes. Temperature input 100 o C and cold water in the annulus with temperature input on ± 27 o C. Twisted tape insert made of aluminium with a thick strip of 0.76 mm, width 6.25 mm. Twisted tape insert divariasi with a twist ratio 4 and 8, where the length of the pitch in a row of 30 mm, 60 mm and 90 mm. Twisted tape insert installed in a heat exchanger of pipe in pipe concentric circles. The purpose of this research aims to know the influence of the twist ratio of twisted tape insert against the effectiveness of heat transfer and heat transfer enhancement technology examines passively on a heat exchanger by adding additive in the form of nano particles of titanium dioxide TIO 2 on Thermo oil base fluid XT32 for increased effectiveness. Research on the method of this research uses experimental study on the heat exchanger pipe concentric circles with twisted tape insert by varying the velocity of flow in the pipe the inside of the pipe concentric circles and the influence of the twist ratio against the effectiveness of heat transfer with the NTU method and LMTD. The hypothesis of this research is the use of twisted tape insert can enhanced the effectiveness of heat exchanger and with the addition of fluid nano TIO 2 is expected to enhanced the effectiveness of the heat exchange. 1. PENDAHULUAN Perkembangan nano teknologi telah mengarah pada kelas fluida baru dan khusus atau disebut nanofluida, yang memiliki potensi besar untuk aplikasi pada perpindahan kalor. Istilah nanofluida berarti dua campuran fase dimana fase yang kontinu biasanya cairan dan fase yang terdispersi terdiri dari nano padat yang sangat halus, berukuran kecil daripada 100 nm. Choi (1995), orang pertama yang menggunakan istilah nanofluida yang menggunakan fluida cair dengan nano tersuspensi didalamnya. Partikel CuO dan Al 2O 3 berukuran nanometer dicampur dengan fluida cair diantaranya air dan ethyleneglycol. Dari hasil penelitiannya diperoleh peningkatan termal konduktivitas sebesar 20%. Peningkatan konduktivitas termal sekitar 60% dapatdicapai untuk nanofluida terdiri dari air dan volume 5% nano (CuO). Eastmann et.al, (1997).dalam penelitiannya mengatakan Peningkatan termal konduktivitas sebesar 40% untuk penambahkan 0.3% Cu dalam ethyleneglycol. Sedangkan Xuan dan Li (2000), menjelaskan suatu prosedur untuk mempersiapkan nanofluidadengan menggunakan peralatan hot wire untuk mengukur konduktivitas termal nanofluida dengan nano bubuk tembaga yang tersuspensi. Publikasi penelitian di atas telah banyak menginspirasi penelitian lebih lanjut terhadap sifat-sifat termal nanofluida serta untuk meyakinkan bahwa nanofluida sebagai media perpindahan kalor perlu diperhitungkan prospeknya. Perkembangan teknologi dibidang heat exchanger yang sangat signifikan menutut performa fluida kerja yang optimum, salah satu fluida kerja yang sering digunakan pada heat exchanger adalah oli. Dengan klasifikasi

2 71 Heat Exchanger yang berbeda-beda tentunya dibutuhkan oli mesin dengan tingkat kekentalan yang berbedabeda pula. Faktor viskositas oli merupakan factor penting dalam menunjang performa heat exchanger, selain itu oli harus mampu menyerap dan melepaskan kalor dengan optimum. Penukar kalor (heat exchanger) adalah sebuah alat yang digunakan untuk memindahkan kalor antara dua fluida atau lebih. Penukar kalor dapat diklasifikasikan menurut arah aliran fluida atau konstruksinya. Penukar kalor secara luas digunakan dalam aplikasi keteknikan. Alat penukar kalor sudah lama dikenal oleh industriindustri yang berhubungan dengan fenomena perpindahan kalor. Perbaikan peningkatan kuantitas perpindahan kalor dari semua tipe penukar kalor telah digunakan secara luas dalam industri, diantaranya dalam proses pengambilan kalor kembali ( heat recovery processes), pendingin udara sistem refrigerasi, dan reaktor kimia. Di samping menyimpan energi utama juga dapat dijadikan pilihan untuk mengurangi ukuran dan berat penukar kalor. Pada saat sekarang ini beberapa teknik peningkatan perpindahan kalor pada penukar kalor telah banyak dikembangkan. Peningkatan kuantitas perpindahan kalor pada dasarnya dapat dilakukan dengan beberapa cara, yaitu : memperluas permukaan perpindahan kalor, merusak lapis batas ( boundary layer) sehingga derajat turbulensi aliran fluida bertambah, dan dengan memutar aliran fluida (swirl flow). Salah satu teknik yang digunakan untuk meningkatkan besarnya koefisien perpindahan kalor konveksi adalah dengan memberikan sisipan material. Sisipan material atau yang sering disebut dengan insert berfungsi untuk meningkatkan turbulensi aliran fluida. Turbulensi aliran fluida memiliki efek positif pada koefisien perpindahan kalor konveksi dari alat penukar kalor. Jenis aliran fluida yang turbulen diketahui memiliki nilai perpindahan kalor yang lebih baik dibandingkan dengan jenis aliran laminar. 1.1 Fluida Nano Penelitian tentang fluida pendingin yang dicampur dengan logam telah dilakukan oleh Maxwell sekitar 100 tahun yang lalu. Tetapi, semua penelitian tersebut menggunakan logam yang berukuran millimeter atau mikrometer. Masalah utama yang dihadapi dengan larutan yang mengandung berukuran milimeter atau mikrometer adalah tersebut cepat mengendap. Salah satu cara yang dikembangkan untuk mengatasi permasalahan tersebut adalah dengan menggunakan logam berukuran nanometer, atau biasa disebut dengan nano. Fluida dasar yang dicampur dengan nano agar dapat mengubah karakteristik dari fluida dasar disebut dengan fluida nano. Fluida nano merupakan sistem dua fase dengan satu fase (fase padat) dalam fase lainnya (fasecair). Fluida nano dibuat dengan menambahkan nano dengan ukuran rata-rata dibawah 100 nm dalam fluida dasar, misalnya air, oli, ethylene glycol. Partikel nano yang biasanya digunakan dalam fluida nano yaitu, logam (Cu, Al, Fe, Au, Ag, dan lain-lain) dan non-logam (Al 2O 3, CuO, Fe 3O 4, TiO 2, SiC, carbon nanotube, dan lain-lain). Tujuan dari fluida nano sendiri adalah untuk mendapatkan karakteristik termal setinggi-tingginya dengan kemungkinan konsentrasi sekecil-kecilnya. Tabel 1.1. Data Konduktivitas Thermal Nano Fluida TIO 2/Oli Termo XT32 No Temperatur oli Fraksi volume 0,1% 0,3% 0,5% ,1126 0,1139 0,1144 0, ,1138 0,1149 0,1155 0, ,1162 0,1166 0,1172 0, ,117 0,1178 0,1184 0, ,118 0,1189 0,1195 0, ,119 0,1200 0,1206 0, ,120 0,1212 0,1218 0, ,121 0,1223 0,1229 0, ,123 0,1234 0,1240 0, ,124 0,1246 0,1252 0, ,125 0,1257 0,1263 0, ,126 0,1268 0,1275 0, ,127 0,1280 0,1286 0, ,128 0,1291 0,1297 0, ,129 0,1302 0,1309 0, ,130 0,1314 0,1320 0, ,131 0,1325 0,1332 0, ,132 0,1336 0,1343 0, ,133 0,1348 0,1354 0, Panas Spesifik Fluida Nano Ada dua persamaan yang berbeda untuk menghitung panas spesifik dari fluida nano, yaitu: Persamaan yang dirumuskan oleh Pak dan Cho s: Cp nf= Cp np + (1 )Cp b (1)

3 PenentuanFraksi Volume Pada penelitian ini, cara menentukan fraksi volume fluida nano dapat menggunakan persamaan sebagai berikut: v φ (2) v larutan w V (3) ρ larutan W V (4) 1.4 Parameter-Parameter Pada Twisted Tape Insert 1. Twist pitch Twist pitch didefinisikan sebagai jarak antara 2 titik pada bidang yang sama, diukur sejajar terhadap sumbu twisted tape. 2. Twist ratio Twist ratio didefinisikan sebagai perbandingan pitch terhadap diameter dalam pipa. H y (5) d i Dimana y = pitch ratio, H = adalah panjang pitch twisted tape dan d i = diameter dalam pipa. Gambar 1.1. Geometri Twisted Tape Insert 2. METODOLOGI Pada gambar 2.1 dibawah menunjukkan skema rangkain alat eksperimen yang digunakan. Alat percobaan terdiri dari : Gambar 2.1. Skema instalasi eksperimen

4 Prosedur Pengujian Prosedur yang dilakukan dalam pengambilan data penelitian berdasarkan variasi kecepatan aliran air di pipa dalam (inner tube) adalah sebagai berikut : Prosedur pada penukar kalor tanpa twisted tape insert dan dengan twisted tape insert. 1. Menyalakan pemanas air elektrik yang berada di tangki oli panas dan menyetel thermocontroller pada temperatur C. 2. Menyalakan pompa oli panas. 3. Membuka kran air dingin sehingga air mengalir dari tandon atas ke penampungan air bawah dan membaca flowmeter. 4. Mengatur debit aliran oli panas di inner tube, debit aliran air dingin di outer tube dan membaca flowmeter. 5. Membaca temperatur masuk dan keluar oli panas dan temperatur masuk dan keluar air dingin pada termo indikator. 2.2 Parameter Yang Diukur Adapun parameter yang akan diukur meliputi : 1. Debit air dingin yang melalui inlet. 2. Debit oli panas yang melalui inlet. 3. Menghitung laju perpindahan panas (Q h) dan (Q c). 4. Menghitung presentase kehilangan panas dari penukar kalor (Q loss). 5. Menghitung koefisien perpindahan panas overall berdasarkan permukaan dalam pipa dalam, U i. 6. Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam, h i. 7. Perbedaan tekanan oli panas pada inlet dan outlet. 8. Menghitung efektivitas penukar kalor (ε). 9. Menghitung unjuk kerja termal ( η). Laju perpindahan kalor yang diserap oleh fluida dingin pada saluran annular dapat ditentukan dengan persamaan, Q c m x cp x ( T T 1 ) (6) f f c2 c dengan Q c adalah kalor yang diserap fluida dingin dalam hal ini adalah air, m f adalah laju aliran massa air pendingin, cp f adalah kalor jenis air, T c1 dan T c2 adalah temperatur air masuk dan keluar tube. Laju perpindahan kalor yang dilepaskan fluida panas oli termo XT32 dalam inner tube dapat ditentukan dengan persamaan, Q h m x cp x ( T T 2 ) (7) E E h1 h Dengan Q h adalah kalor yang diserap fluida panas oli termo XT32, m f adalah laju aliran massa oli panas, cp E adalah kalor jenis oli, T h1 dan T h2 adalah temperatur oli termo XT32 masuk dan keluar tube. Beda temperatur rata-rata logaritmik ditentukan menggunakan persamaan, T1 T2 LMTD (8) T1 ln T2 Efektivitas penukar kalor (heat exchanger effectiveness) didefinisikan sebagai berikut : Q avg (9) Q max Dengan adalah efektivitas alat penukar kalor, adalah perpindahan kalor rata-rata alat penukar kalor, adalah perpindahan kalor maksimum alat penukar kalor. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada gambar 3.1, 3.2, 3.3, dan 3.4 menunjukkan hubungan efektivitas (ε) dan waktu (t) pada alat penukar kalor pipa konsentrik saluran anular tanpa menggunakan twist tape insert memperlihatkan bahwa kenaikan Efektivitas (ε) berbanding terbalik dengan bertambahnya debit aliran pada fluida panas. Hal ini dikarenakan dengan meningkatnya debit aliran fluida panas yaitu oli termo XT32 maka panas yang diserap oleh fluida dingin yaitu air akan semangkin sedikit. Hal ini dapat dijelaskan pada Grafik berikut :

5 74 Gambar 3.1. Grafik Efektivitas Tanpa Twist Tape Pada Debit 1 LPM Gambar 3.2. Grafik Efektivitas Tanpa Twist Tape Pada Debit 2 LPM Gambar 3.3. Grafik Efektivitas Tanpa Twist Tape Pada Debit 3 LPM

6 75 Gambar 3.4. Grafik Perbandingan Efektivitas Terhadap Debit Aliran Fluida Panas Pada gambar 3.5, 3.6, 3.7, dan 3.8 menunjukkan nilai keefektivitasan alat penukar kalor pipa konsentrik dengan menambahkan twist tape insert. Pada gambar, memperlihatkan unjuk kerja ( performance) dari alat penukar kalor pipa konsentrik dengan menambahkan Twist tape insert. Terlihat bahwa unjuk kerja (performance) pada 1 LPM relativf lebih baik jika dibandingkan dengan debit 2 LPM dan 3 LPM. Tetapi dalam terjadi kenaikan performa yang sangat signifikan jika dibandingkan dengan alat penukar kalor pipa konsentrik tanpa menggunakan twist tape insert. Hal ini dapat dijelaskan pada gambar berikut: Gambar 3.5. Grafik Efektivitas Alat Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twist Tape Insert Gambar 3.6. Grafik Efektivitas Alat Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twist Tape Insert

7 76 Gambar 3.7 Grafik Efektivitas Alat Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twist Tape Insert Gambar 3.8 Grafik Efektivitas Dengan Twist Tape Insert Terhadap Debit Aliran Fluida Panas Gambar 3.9 Grafik Efektivitas Alat Penukar Kalor Pipa Konsentrik Dengan Twist Tape Insert Pada gambar 3.10 menunjukkan nilai keefektivitasan alat penukar kalor pipa konsentrik dengan menambahkan twist tape insert dan menambahkan nano TIO 2. Terlihat bahwa pemasangan twist tape insert dan penambahan nano TIO 2 dapat meningkatkan Efektivitas (ε) alat penukar kalor pipa konsentrik

8 77 saluran anular dalam meningkatkan perpindahan panas secara konveksi pada alat penukar kalor. Hal ini dapat dijelaskan pada gambar berikut: Gambar Grafik perbandingan Efektivitas Alat Penukar Kalor Pipa Konsentrik tanpa Twist tape insert, Dengan Twist Tape Insert, dan penambahan nano TIO 2 4. KESIMPULAN Studi eksperimental efektivitas alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan twisted tape insert pada fluida nano TIO 2 dengan fluida dasar oli termo XT32 telah dilakukan. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa, 1. Dengan naiknya debit aliran (Q) akan berbanding terbalik dengan kenaikan efektivitas (ε) alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan twisted tape insert pada fluida nano TIO 2 dengan fluida dasar oli termo XT32. Hal ini disebabkan dengan kenaikan debit aliran (Q) maka akan menyebabkan naiknya kecepatan aliran fluida. 2. Penambahan Twist Tape Insert dapat meningkatkan efektivitas (ε) dari alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan twisted tape insert pada fluida nano TIO 2 dengan fluida dasar oli termo XT Penambahan nono dengan fraksi volume 0.1% dapat meningkatkan Efektivitas alat penukar kalor pipa konsentrik saluran annular dengan twisted tape insert pada fluida nano TIO 2 dengan fluida dasar oli termo XT DAFTAR PUSTAKA Azzopardi B.J, Whalley P.B, The effect of flow patterns two phase flow in a T-junction. International Journal of Multiphase Flow. Vol. 8 pp Azzopardi B.J, Smith P.A, Two-phase flow split at T-junction : effect of side arm orientation and downstream geometry.international Journal of Multiphase Flow. Vol. 18, pp Azzopardi B.J, Colman D.A, Nicholson D, Plant application of a T-junction as a partial phase separator.trans I Chem E. Vol. 80, part A, pp Chandrasekar, M., Suresh, S., Bose, A., 2010,Experimental Investigations and Theoretical Determination of Thermal Conductivity and Viscosity of Al 2O 3/Water Nanofluid,Experimental Thermal and Fluid Science., 34, Colla, L., Fedele, L., Scattolini, M., & Bobbo, S., 2012, Water-Based Fe 2O 3 Nanofluid Characterization: Thermal Conductivity and Viscosity Measurements and Correlation. Advances in Mechanical Engineering Volume., 8, 1-8. Duan, F., & Stephen, C. (2009). Nanofluid Property. USA: Willey. Duangthongsuk, W., & Wongwises, S., 2009, Measurement of temperature dependent thermal conductivity and viscosity of TiO 2 water nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science., 33, Haddad, Zoubida., Chérifa Abid., Hakan F. Oztop., dan Amina Mataoui.,2014, A Review on How the Researchers Prepare Their Nanofluids. International Journal of Thermal Sciences., 76, Han, Zenghu. Nanofluids With Enhanced Thermal Transport Properties. Dalam Nanofluids With Enhanced Thermal Transport Properties, oleh Zenghu Han, 124. Jang, S.P., S.U.S Choi.,2007,Effects of Various Parameters on Nanofluid Thermal. Heat Transfer., 129,

9 78 Juneja, Mahesh, dan D. Gangacharyulu., 2013, Experimental Analysis on Influence of Temperature and Volume Fraction of Nanofluids on Thermophysical Properties. International Journal of Emerging Technologies in Computational and Applied Sciences (IJETCAS), pp Kleinsteuer., Clement., dan Yu Feng.,2011, Experimental and Theoretical Studies of Nanofluid Thermalconductivity Enhancement: a review. Nanoscale Research Letters,vol. 6, no Mintsa, Honorine Angue, Gilles Roy, dan Cong Tam Nguyen.,2009, New Temperature Dependent Thermal Conductivity Data for Water-Based Nanofluids. International Journal of Thermal Sciences.48, Murshed, S,M,S., K.C. Leong., dan C. Yang. 2005, Enhanced Thermal Conductivity of TiO 2-Water Based Nanofluids. International Journal of Thermal Sciences., 44, Paul, G., M. Chopkar, I. Manna, dan P.K Das.2010, Techniques for Measuring The Thermal Conductivity of Nanofluids: A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews., 14, Suganthi, K. S., V.Leela Vinodhan., dan K. S. Rajan.,2014, Heat Transfer Performance and Transport Properties of ZnO-Ethylene Glycol and ZnO-Ethylene glycol-water Nanofluid Coolant.Elsevier- Applied Energy, pp Tso, C. Y., S. C. Fu, dan Christopher Y.H. Chao. 2014, A Semi-Analytical Model for the Thermal Conductivity of Nanofluids. International Journal of Heat and Mass Transfer.,70, Vajjha, Ravikanth S., dan Debendra K. Das. 2009, Experimental Determination of Thermal Conductivity of Three Nanofluids.International Journal of Heat and Mass Transfer., 52, Wildan, Moch., Nurkholis Hamidi, Lilis Yuliati, dan Sudarmadji. Pengaruh Variasi Prosentasi Massa Nano, Temperatur, dan Nanofluida terhadap Fluida Properties Nanofluida H 2O-Al 2O 3. Malang: Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Yiamsawasd, Thakleaw., Ahmet Selim Dalkili., dan Somchai Wongwises.,2012, Measurement of the Thermal Conductivity of Titania and Alumina Nanofluids. Thermochimica Acta., 545, Rodriguez, O.M.H., Oliemans, R.V.A., Experimental Study on Oil-Water Flow in Horizontal and Slightly Inclined Pipes.International Journal of Multiphase Flow. Vol. 32, pp Shoham O, Brill J.P, Taitel Y, Two-phase Flow Splitting in a T-junction Experiment and Modeling. Pergamon Journal. Vol. 42, no.11, pp Wang Li-yang, Wu Ying-xiang, ZhengZhi-chu, Guo Jun, Zhang Jun, Tang Chi, Oil-water two-phase flow inside T-junction.Journal of Hydrodynamic.Vol. 20(2), pp Wren E, Azzopardi B.J, Affecting the phase split at a large diameter T- junction by using baffles.international Journal of Multiphase Flow. Vol. 28, pp